超声波技术在石油工业危险废物处置中的应用研究综述.pdf

第 38 卷 第 2 期Vol.38 No.2北部湾大学学报JOURNAL OF BEIBU GULF UNIVERSITY2023 年 4 月Apr.,2023DOI:10.19703/j.bbgu.2096-7276.2023.02.0033 收稿日期 20211207 基金项目 石油化工催化材料与反应工程国家重点实验室开放课题(18-ZC0607-0007,RIPP,SINOPEC)作者简介 杨建建(1989),男,山东东营人,化学与精细化工广东省实验室工程师,硕士,研究方向:含油污泥处置及综合利用,E-mail:1028128863 ;通信作者:王伟建(1984),男,山东聊城人,北部湾大学讲师,博士,研究方向:钙钛矿材料的制备及应用,E-mail:sky8394431 超声波技术在石油工业危险废物处置中的应用研究综述杨建建1,李文林2,王伟建3(1.化学与精细化工广东省实验室,广东 汕头 515000;2.太原理工大学 化学与化工学院,山西 太原 030024;3.北部湾大学 石油与化工学院,广西 钦州 535011)摘 要 随着石油工业的发展,石油资源在大量开采、转运和冶炼过程中产生大量的危险废弃物。本文对学界关于石油工业生产过程产生的几种典型危险废物(含油污泥、浮渣、污油)和常用处理方法的研究进行了综述,并对比分析了各种方法的优缺点,着重阐述了超声波技术处理石油工业典型危险废物的机理,总结了超声波技术处理含油污泥、浮渣、污油 3 种石油工业典型危险废物的应用情况和处理效果,最后探讨超声波技术处理上述石油工业危险废物的不足之处并对未来发展趋势进行了展望。关键词 超声波;危险废物处置;含油污泥;浮渣;污油 中图分类号 X741 文献标识码 A 文章编号 20967276(2023)02003308根据国家危险废物管理办法,“石油开采炼制产生的油泥和油脚”及“含油废水处理过程中产生的废油及油泥”等石油工业所产生废物属于国家危险废物名录中危险废物管理的范围1。根据国家危险废物管理办法,必须对此类“废物”进合理处置。目前处理此类危险废物的方法主要有热化学清洗、热脱附、焦化及溶剂萃取等。超声波技术作为一种新型处理工艺,因其具有条件温和、效率高、无二次污染等优点,目前通过单独使用或与其他技术耦合使用被广泛用于处理上述危险废物2-5。本文对超声波在石油工业典型危险废物处置中应用的研究进展进行综述,展望了超声波联用技术在石油工业典型危险废物处置领域的应用前景,并提出其工业化应用需解决的技术问题。1 石油工业危险废物及处理方法1.1 石油工业危险废物的分类石油工业产生的危险废物,来自于石油开采、储存、运输及加工的各个过程。对危险废物的性质和状态进行分析可将其大致分成三类:含油污泥、浮渣、污油。1.2 石油工业危险废物的处理方法目前石油工业所产生危险废物的处理方法如表 1 所示,各方法既有优点,也有不足。由于石油工业产生的危险废物来源复杂,因此采用单一方法处理难度较大,必须采用多种耦合方法进行处理。目前有文献报道的通过耦合方法处理石油工业危险废物的技术有:超声波焚烧耦合处理浮北部湾大学学报第 38 卷渣技术6、热化学清洗溶剂萃取耦合工艺处理页岩油泥技术7、臭氧氧化热化学清洗耦合处理含油污泥8、微生物脱硫化学破乳耦合处理老化油泥技术9等。表 1 石油工业各种危险废物处理方法的优缺点名称优点缺点填埋法操作简单,成本低占用土地,污染土壤和地下水固化处理法一种有效的减量化方法11-12,便于运输或进一步处理10不能满足现行环保要求,处理不够完善焚烧法处理较为彻底,热量可回收利用13-14不能回收油气,废气排放不达标有机溶剂萃取法处理油泥较彻底,可回收大部分油品15成本较高,回收率受油泥性质、溶剂影响热解吸法可回收原油,降低二次污染16-18温度高、工艺复杂焦化法可将原油分解能耗高19,受油泥组成影响生物处理法条件温和,成本低20占地面积大,效率低,时间长,对反应条件要求高超声波处理法可实现油泥脱油、脱水,效果好,限制条件少对胶质、沥青质含量高的油泥处理效果较差212 超声波作用方式及机理2.1 超声波简介超声波是一种频率高于 20 kHz 的声波,它属于机械波的一种,频率高,波长较短,声能比较集中,在水中传播距离远,可应用于生产生活的各个方面。2.2 超声波的作用机理分析2.2.1 空化效应超声波的空化作用是指存在于液体中的微气核空化泡在超声波的作用下产生振动,当声压达到一定数值时所发生的生长和崩溃的动力学过程。超声波作用于液体时可产生大量小气泡,在液体中进行超声波处理的技术大多与空化作用有关。因此,超声波在液体中形成的空穴崩溃会产生高温、高压、放电、发光和激震波等作用22-23。通常将超声波空化分为稳态空化和瞬间空化两种类型24。含油污泥、浮渣、污油等石油工业典型危险废物多具有油水乳化严重,脱水减量困难等特点,处置石油工业典型危险废物可以利用超声波的空化效应,从理论上计算,当空化泡溃灭时,在空化泡边缘壁上形成的压力可以高达 1 200 MPa,瞬间温度达到 5 000 K,在空气泡溃灭时产生高温高压的环境下能够将水分解为H 和OH 自由基,引起物质性质发生变化并能加速物质的分离过程,在由空化效应所造成的局部高温高压的环境下促进石油工业典型危险废物中油、固、水三相的分离25-27,这也是超声波技术在石油工业典型危险废物处置中应用的原理和优势所在。2.2.2 机械效应超声波能量作用于介质,会引起质点高速细微的振动,产生速度、加速度、声压、声强等力学量的变化,从而引起机械效应。超声波是机械能量的传播形式,与波动过程有关,会产生线性的振动作用。超声波所造成的机械作用可促进液体的乳化、凝胶的液化和固体的分散。当超声波流体在介质中形成驻波时,悬浮在流体中的微小颗粒因受机械力的作用而凝聚在波节处,在介质中形成周期性的堆积。2.2.3 热效应由于超声波频率高、能量大,被工件吸收时能产生显著的热效应。2.2.4 化学效应超声波的作用可促使发生或加速某些化学反应的发生。例如:纯的蒸馏水经超声波处理后产生过氧化氢,溶有氮气的水经超声波处理后产生亚硝酸,染料的水溶液经超声波处理后会变色或退色。超声波还可加速许多化学物质的水解、分解和聚合过程。超声波对光化学和电化学过程也有明显影响。各种氨基酸和其他有机物质的水溶液经超声波处理后,特征吸收光谱带消失而呈均匀的一般吸收,这表明有分子结构发生了改变。43第 2 期杨建建,李文林,王伟建:超声波技术在石油工业危险废物处置中的应用研究综述3 超声波处理石油工业危险废物3.1 超声波技术处理含油污泥含油污泥按照来源既包括上游开采作业产生的落地油泥,也包含下游储运过程产生的罐底油泥。根据文献28-41对使用超声波技术处理各类含油污泥进行总结并列于表 2 中。表 2 超声波技术处理含油污泥总结含油污泥来源处理方式最佳工况条件除油率/%大庆油田落地油泥超声波+破乳40 kHz,70 W,40,3 mg/L96.80大港油田落地油泥超声波25 kHz,60,30 min60选油站原油脱水罐底油泥超声波40 kHz,50 W,20 min,50 90冀东油田联合站罐底油泥超声波+萃取55,20 min80安庆石化罐底油泥超声波+破乳28 kHz,70 W,70,5 g/g98.50某油泥堆放场储油罐底油泥超声波+活性剂25 kHz,30 min,40 95oil refinery plant in Canada超声波75 W,6 min80oil refinery plant in Canada超声波+冷冻/解冻66 W,10 min80长庆油田天然气厂油泥化学+微波+超声波40 kHz,10 min21.46胜利油田污水站含油污泥超声波+热洗175 V,15 min,55 60舟山地区油轮油泥超声波+萃取25 kHz,15 min,150 W,55 97.58大庆油田采油厂油泥超声波+热洗20 min,30 kHz,500 W,40 94.30扬子石化污水厂活性污泥超声波44 W,90 s9.60大庆原油+黏土模拟油泥超声波+破乳40 kHz,70 W,40,10 min96.803.1.1 超声波技术处理落地油泥落地油泥主要来源于油井作业掉落在井场上的油水混合物,还有定期清理储油罐底部的含油污泥等,井场的油泥通常含油泥沙等杂质,储油罐油泥成分主要有泥水及少量原油等,这些油泥可以通过回收处理油分变废为宝,但若不及时处理,长期堆放暴露在自然环境中会对周边环境造成二次污染。含油污泥的主要成分为难降解的有机物,长期堆放会严重污染土壤。遇到雨季会随地表径流流入地表水,造成河流污染。因此对落地油泥及时处理不仅可以解决环境污染问题,还可以变废为宝,为油田带来一定的经济效益42。赵晓非等28实验结果表明:超声波与破乳剂联用处理比只使用破乳剂处理落地油泥效果好,在超声波处理时间 10 min、超声波频率 40 kHz 的最佳超声参数下,超声波与破乳剂联用处理油泥效果最佳,除油率为96.8%,是只使用破乳剂处理落地油泥除油率的 1.1 倍;另外,作者通过对比超声波破乳剂与单纯使用破乳剂两种方法处理油泥的显微镜照片,证明超声波的空化作用提高了油泥破乳效果。超声波技术通过一系列的化学、物理反应对含油污泥进行处理,在其反应过程中,除了频率、功率、温度等外部条件要适宜外,超声波技术的除油效果还受油泥中所含土壤颗粒的大小和性质影响。陈东等29选取土壤性质不同的大庆油田、大港油田、冀东油田的落地油泥为研究对象,考察油泥中所含土壤性质对超声除油效果的影响。结果表明,超声波技术对所含土壤粒径大和钙氧化物含量低的油泥(大庆油田、大港油田)相较于含土壤粒径小和钙氧化物含量高的油泥(冀东油田)除油效果好。该结果可为超声波技术处理落地油泥的工业化应用提供参考。3.1.2 超声波技术处理罐底油泥原油储存、运输过程产生的含油污泥常称为罐底油泥。一般含有 40%以上的原油和约 30%的泥沙,其余为水,通过一定的技术处理可回收大部分原油42。超声波作用时的空化状态对含油污泥超声波除油性能有较大影响,王新强等30研究发现,在固定超声波频率 40 kHz、功率 50 W 的53北部湾大学学报第 38 卷情况下,处于弱空化状态时,污泥除油达到最佳实验效果,强空化状态或无空化状态都会使含油污泥的除油效果减弱。另外,实验结果表明,在超声波辅助罐底油泥除油的影响因素中,影响最大的是超声波频率,其次是超声波功率,最小的是作用时间。在超声波最佳操作条件下罐底油泥除油率可达到 90%以上。由于含油污泥性质的复杂与多样性,仅依靠一种技术很难满足处理要求,通常需要多种技术联合使用,倪银等31研究发现,用“超声波+萃取”处理冀东油田罐底油泥比直接加热萃取处理效果好,在最佳超声波参数下,去除效率可提高2 倍。张小庆等32采用超声波辅助破乳法与没有超声辅助的单一破乳法对安庆石化罐底油泥处理效果做对比,结果表明,采用超声波辅助破乳法处理罐底油泥时油泥脱水和油品回收率均好于没有超声辅助的单一破乳法。另外,作者通过对比超声波辅助破乳与单一破乳两种方法处理油泥的显微镜照片,证明超声波可以破坏油水界面,使部分水从油中剥离出来,从而改善破乳效果。超声波频率、超声波声强、温度、时间等因素都会对含油污泥的洗脱效果有影响,曹华英33的实验结果表明,超声波频率为 25 kHz、超声波声强为 0.225 W/cm2时含油污泥的洗脱效果最好,超声波频率、声强、温度、时间等参数存在最佳值,过大或过小都会使含油污泥洗脱效果变差。Hu等34研究发现用超声波辅助热洗处理罐底油泥效果比直接加热效果好,并通过实验确定了最佳工艺条件。Zhang 等35采用超声波、冷冻/解冻、超声波+冷冻/解冻 3 种不同方法处理含油污泥,结果表明,超声波+冷冻/解冻技术处理含油污泥效果最好,原油回收率最高。3.1.3 超声波技术处理其他类型油泥超声波对含油污泥的脱水性能也有一定影响,苏碧云等36用化学微波超声波复合调质处理气田高乳化含油污泥,研究